Роботы обычно ассоциируются с электродвигателями, аккумуляторами, шестернями и сервоприводами. Но что, если приводом машины станет живая мышца? Исследователи Шэньянского института автоматизации Китайской академии наук создали небольшого робота-ската, чьи плавники приводятся в движение настоящей скелетной мышцей, взятой из ноги лягушки.
Причём робот получил полностью беспроводную систему управления. На его спине установлены крошечные фотоэлектрические элементы из арсенида галлия, которые преобразуют свет в электричество. Оператор направляет на них инфракрасный лазер с длиной волны 808 нм, и возникающий электрический сигнал заставляет мышцу сокращаться. Таким образом, исследователи смогли заставить живую ткань выполнять работу, которую в обычном роботе выполнял бы электродвигатель.
Эксперимент относится к быстро развивающейся области биогибридной робототехники — или biosyncretic robotics. Её идея проста: объединить искусственные механизмы с живыми клетками и тканями, поручив биологическим компонентам те функции, которые обычно выполняют электронные или механические системы.
Зачем роботу вообще нужна мышца?
Природа потратила сотни миллионов лет на совершенствование мышечной системы. Скелетная мышца способна многократно сокращаться, развивать значительное усилие и при этом остаётся компактной, гибкой и сравнительно энергоэффективной.
Для робототехники это весьма привлекательный набор свойств. Электромотору необходимы дополнительные механизмы для передачи движения и преобразования вращения в нужную траекторию. Мышца уже представляет собой своеобразный биологический привод: она сокращается под действием нервного или электрического сигнала и непосредственно создаёт механическое усилие.
Исследователи уже создавали роботов, использующих искусственно выращенную мышечную ткань. В 2022 году та же команда построила робота, напоминающего ската, с мышцами, выращенными из клеток в лаборатории.
Однако у такого подхода есть серьёзная проблема: искусственно сформированные мышечные ткани довольно слабы. Именно недостаток развиваемого усилия ограничивает скорость и манёвренность подобных биогибридных машин.
Поэтому на этот раз учёные решили не выращивать мышцы самостоятельно, а воспользоваться уже готовой конструкцией, созданной природой.
Почему взяли мышцу лягушки?
Для нового робота исследователи выделили портняжную мышцу (gracilis) из ноги лягушки-быка.
Здесь есть важное отличие от искусственно выращенного мышечного пучка. В естественной ткани мышечные волокна уже организованы в сложную структуру, сформированную организмом. Такая архитектура позволяет эффективнее передавать возникающее при сокращении усилие.
Испытания показали, что изолированная мышца способна развивать стабильное сокращающее усилие около 6,5 Н. При более интенсивной стимуляции пиковое значение достигало 9,4 Н, а длина мышцы при сокращении уменьшалась примерно на 25%. Электрически реагировать на стимуляцию ткань могла до 11 дней, а надёжно приводить в движение робота — около семи дней.
Оптимальным режимом исследователи назвали стимуляцию частотой 1 Гц при напряжении 5 В и длительности импульса 10 миллисекунд.
Иными словами, в конструкции появился настоящий биологический двигатель, причём двигатель, уже оптимизированный эволюцией.
Как лазер заставляет мышцу двигаться?
Одна из самых интересных частей эксперимента — способ управления.
В обычных биогибридных роботах электроды часто соединены с внешним стимулятором проводами. Такая схема работает, но превращает автономного робота в машину, буквально привязанную к лабораторному оборудованию.
Предыдущий робот-скат исследовательской группы был устроен именно так. Он плавал в специальной среде, вокруг которой находились восемь платиновых электродов. Электрическое поле стимулировало выращенную мышечную ткань.
Для новой машины учёные придумали гораздо более компактное решение.
На верхней поверхности робота разместили небольшие фотоэлектрические модули из арсенида галлия (GaAs). Когда на них попадает инфракрасный свет с длиной волны 808 нм, фотоэлементы вырабатывают электрический ток. Этот сигнал поступает к нервным структурам на поверхности мышечной ткани и запускает её сокращение.
Причём левая и правая стороны системы могут управляться независимо. Если подсвечивать соответствующие фотоэлектрические элементы в нужной последовательности, можно заставить мышцы сокращаться синхронно или асимметрично.
Именно это превращает простую живую ткань в управляемый привод.
Почему выбрали форму ската?
Здесь исследователи буквально подсмотрели решение у природы.
Настоящие скаты перемещаются за счёт волнообразных движений огромных грудных плавников. Мышечный привод отлично подходит для имитации такого способа плавания: сокращение мышцы можно передать на гибкий плавник, превратив последовательные сокращения и расслабления в колебательное движение.
В новом роботе мышцы соединены с двумя плавниками. Когда они сокращаются, конструкция заставляет плавники двигаться, создавая тягу.
Если обе стороны работают синхронно, робот плывёт прямо. Если же активировать левую и правую стороны по-разному, возникает асимметричная тяга, позволяющая менять направление движения.
Получается практически биологический аналог руля: не отдельный механизм, а разница в работе двух приводов.
Насколько быстро плавает лягушкоробот?
Для столь необычной конструкции результаты оказались весьма впечатляющими.
Средняя скорость прямолинейного движения составила 0,54 длины корпуса в секунду, что соответствует примерно 2,7 см/с. На коротком участке робот смог разогнаться до двух длин корпуса в секунду.
По утверждению исследователей, это самая высокая относительная скорость движения, когда-либо продемонстрированная скелетно-мышечным биогибридным роботом.
Манёвренность тоже оказалась довольно высокой. Робот способен выполнять разворот в пределах примерно одной восьмой длины собственного корпуса. Максимальная угловая скорость поворота достигает 21 градуса в секунду, а полный круг он проходит примерно за 17 секунд.
Изменяя работу левой и правой мышц, исследователи смогли реализовать прямолинейное плавание, повороты в обе стороны, движение по окружности и развороты на 180 градусов.
Робот умеет не только плавать
Экспериментальная машина оказалась способна работать в нескольких режимах.
Она может двигаться по поверхности воды, погружаться под воду и перемещаться с полезной нагрузкой массой до 5 граммов. А ещё исследователи обнаружили неожиданную возможность: благодаря гибкой конструкции робот способен совершать медленные криволинейные движения даже по твёрдой поверхности.
Разумеется, сухопутное движение вряд ли станет главным применением такого устройства. Но сама возможность показывает, что биологический привод можно соединять с разными типами механических конструкций, не ограничиваясь исключительно плавниками.
Чем такой робот лучше обычного подводного аппарата?
На данном этапе вопрос скорее теоретический. Традиционные электродвигатели обладают огромным преимуществом в виде долговечности, управляемости и хорошо отработанной технологии.
Но у биогибридных роботов есть потенциально интересная ниша.
Небольшой робот с гибкими плавниками способен перемещаться в воде без жёстких вращающихся винтов. Это может быть полезно там, где требуется минимально нарушать окружающую среду.
Исследователи рассматривают среди возможных применений мониторинг мелководных водоёмов и наблюдение за водными организмами. Маленькая машина, напоминающая живого ската и не создающая характерных для винтового движителя возмущений, теоретически может оказаться менее заметной для окружающей среды.
Но до практических автономных подводных роботов такого типа пока далеко. Главным ограничением остаётся сама биологическая часть конструкции.
Главная проблема — мышца не вечная
Электродвигатель можно включать годами, пока сохраняется питание и не происходит механическая поломка. Живая мышечная ткань имеет совершенно другой жизненный цикл.
В нынешней конструкции мышца сохраняла электрическую отзывчивость до 11 дней, а стабильно обеспечивала движение робота примерно семь дней. Для практического автономного аппарата этого явно недостаточно.
Кроме того, лазерная система, несмотря на отсутствие физического кабеля, пока не делает робота полностью автономным. Машина должна постоянно получать внешний инфракрасный свет, чтобы её мышца сокращалась.
Получается своеобразный парадокс: робот действительно беспроводной, но его «питание» и команды всё ещё приходят извне.
Что учёные собираются изменить?
Следующий шаг — увеличить продолжительность жизни биологического привода.
Исследователи планируют совершенствовать методы in vitro-культивирования, чтобы мышечная ткань могла дольше сохранять рабочие свойства. Одновременно команда собирается разработать гибкие тонкоплёночные электроды, напоминающие нейронные структуры. Они должны распределять электрическую стимуляцию по мышце более равномерно.
Есть и ещё одна важная задача — добавить роботу накопитель энергии.
Сейчас движение непосредственно связано с поступлением инфракрасного света: есть подсветка — возникает электрический сигнал — сокращается мышца. В будущем исследователи хотят объединить фотоэлектрические элементы с бортовой системой хранения энергии.
Тогда робот сможет сначала накопить энергию от света, а затем использовать её для движения, даже если непосредственно в этот момент лазер на него не направлен.
От робота-ската — к новым биологическим машинам
Самое интересное в этой работе заключается в том, что её результаты вовсе не ограничиваются скатом.
Исследователи продемонстрировали сразу два принципа. Первый — натуральную мышечную ткань можно использовать как мощный исполнительный механизм. Второй — управлять таким биологическим приводом можно без постоянного физического подключения к внешнему стимулятору, используя преобразование света в электрический сигнал.
Эти идеи потенциально можно перенести на совершенно другие конструкции. Живая мышца способна приводить в движение не только плавник, но и различные гибкие механизмы, миниатюрные манипуляторы или другие биомиметические устройства.
Есть у исследования и возможное медицинское продолжение. Разработанная система электрической стимуляции может использоваться как экспериментальная модель для изучения восстановления мышечной ткани после повреждения нервов, а также в динамических системах выращивания тканей.
Таким образом, маленький робот-скат оказался интересен не только как необычная игрушка биоинженеров. Это демонстрация принципа, который в будущем может привести к появлению совершенно нового класса машин — частично искусственных, частично живых.
Пока такие роботы остаются лабораторными прототипами. Им не хватает долговечности, автономного питания и способности работать без сложной подготовки биологического материала. Но сама идея выглядит весьма перспективно: вместо того чтобы пытаться сделать механический привод всё более похожим на живую мышцу, инженеры начинают использовать саму живую мышцу как часть машины.
И в этом смысле маленький «лягушкоробот» может оказаться важнее, чем кажется на первый взгляд. Возможно, будущее биогибридной робототехники будет строиться не вокруг имитации природы, а вокруг её непосредственного включения в конструкцию машин.
